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太空中合成的材料与地球上有何不同?

2017-08-19  大隆龙   |  转藏
   

今年“天宫二号”空间实验室和“神舟十一号”飞船的成功对接,是我国航天科技的一大盛事。11月18日下午,“神舟十一号”飞船返回舱安全降落,两位航天员凯旋而归。他们也创造了中国航天员太空驻留时间的新纪录,引来国内外对中国航天的一片点赞!

大家知道吗,太空同时也是制造完美材料梦寐以求之地,在这次“天宫二号”和“神舟十一号”的科学实验任务中,我国科学家和工程师们利用一套“八卦炼丹炉”开展了一系列的太空材料实验,为我国的材料科学探索掀开了崭新篇章。

我们把地球表面高度几百公里以外的外层宇宙空间称之为太空,那么太空这样的空间有什么样的特点呢?

第一是微重力,在这里我们可以感受到的重力是地球表面的万分之一、十万分之一甚至更小;

第二是超高真空,没有可以呼吸的空气;

第三是超洁净,没有灰尘;

第四是强辐射,在我们大气层以外空间里面紫外线、高能射线非常强;

第五是超低温,温度很低低,常达到零下两百多摄氏度。

太空中这些极端物理条件对于我们科学技术探索来说都是非常宝贵的,而在地面上实现又是很困难、代价非常高昂的,所以太空的这些特点和环境条件的确是宝贵的资源,因此从上个世纪以来,世界上的航天大国都争相抢夺太空的制高点,目的就是想开发和利用太空资源。

在微重力下的材料合成有什么不同呢?这要首先从地面上说起。

地面上因为有重力我们会发现一些常见的现象,比如说冰浮在水面上,对流,整个流体里面由于温度不均匀会有流动,沉降效应,静水压效应,这些都是重力引起的,这些现象对于我们材料合成常常都是不利的因素。比如说沉降效应,我们日常中使用的物品大部分都是两种以上的元素组成的,在熔化制造过程中会发生什么现象呢?重的元素、密度大的往往往下沉,轻的在上面,这样就形成了分层、不均匀,最后出来的材料性能、质量就可能不太好。

所以我们材料学家想竭力避免这种现象,要想办法克服地球重力的影响。他们理想中的结构是什么样的呢?

像上图右侧这样的,像火龙果一样,一粒一粒的颗粒,均匀的分散在物体里面,这样是一个内部组成均匀分布的概念,地面上材料合成要做到这样是比较困难的,但是在微重力下却是很容易实现的。

那么在太空中进行材料合成有哪些好处呢?

在微重力条件下,对流、沉降等极大减弱,我们有希望可以获得更好的材料制备结果,比如太空中制备的材料具有更好的结晶完整性、更高的均匀性、更高纯度以及更大的尺寸。

要在太空中做微重力条件下的材料实验,必须要利用各种装备。

人类历史上第一次在太空中进行材料研究是苏联人,1969年10月11日苏联联盟6号飞船升空,宇航员首次用“火神”号焊接炉成功地进行了铝合金,钛合金和不锈钢的焊接实验。

我国1987年8月在第9颗返回式卫星上利用空间多用途材料加工炉进行了砷化镓等材料的生长,这是我国的第一次空间材料实验。今年4月,在“实践十号”返回式卫星上,科学家们利用多功能材料合成炉做了多种材料的实验,接着下半年是“天宫二号”上综合材料实验装置开展的材料实验。

整个空间材料的历史不是很长,四五十年,我国整个材料实验按飞行任务次数一共有十几次,获得的样品有几十种,与此同时,国际上美国,俄罗斯,欧洲做了上千次太空材料实验,所以我们国家的实验任务还是比较少的,机会非常宝贵。

“天宫二号”上的综合材料实验装置,其主体是材料实验炉,大概半米高,重是21公斤多,它有哪些特点呢?

材料电控箱(左)、材料实验炉(中)、材料样品袋(右)“三兄弟”在地球上的最后合影

第一个特点是高效节能,用一百瓦的功率就可以实现一千度的高温,里面的关键技术是我们采用了很多绝热保温措施,从而提高加热效率、减少热量向外散发。

第二是多点温度监测,我们在非常狭小的空间里布了21个温度传感器,这种设计在国内的空间材料实验中是首次。这是一种测量内部多点温度的设计,好处是能够获得空间环境的传热特性数据,以前这些数据都是空白的,我们希望有了这样一些数据,能为将来太空中的装置设计、材料实验的设计提供更多的参考。

第三是高精度样品位置控制,通过一套精密的机械结构控制系统,定位精度可以达到0.1毫米。

第四是人机界面,这次是我国第一次有人在太空中参与我们的材料实验操作,航天员要给我们两次更换样品,所以要进行可靠的操作界面设计。

11月18日下午,两名航天员完成在“天宫二号”上的系列任务后,搭乘“神舟十一号”飞船成功返回地面,这次航天员给我们带来什么宝贝呢?是两批次12支材料科学实验样品。

在“天宫二号”上开展实验的材料样品有18种之多,归纳下来有几大类,包括半导体光电子材料、金属合金及亚稳材料、新型功能单晶、纳米及复合材料等。例如碲化锌晶体,可以用于未来更高灵敏度的太赫兹探测器材料;介孔基纳米复合材料,用于新一代的光纤通信;多元复相合金,探索凝固科学理论,寻求新的发现;碘化铯晶体,用于高能物理、核医学成像探测器;碲化铋晶体,是一种新型热电发电、热点制冷材料。

“天宫二号”任务之后,我国将实施空间站计划。按照目前的规划,我国空间站里将设置开展材料科学研究的实验柜。这种实验柜是一个集材料的制备、加工、分析、处理、测试的一体化平台。实验柜在轨工作时间将达到十年甚至更长,可以为材料科学家提供更好的资源条件。

在未来的空间站上,我们可能一年就能制备和合成上百种材料,超过我国过去近三十年的总和,这是科学家们所向往的。

本文来源:科学大院

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